Использование различных материалов для изготовления электродов литий-ионных аккумуляторов
- Как работает Li-ion аккумулятор?
- Используемые материалы
- Типы катодных материалов
- Сравнительная таблица
- Из чего будут изготавливать Li-ion аккумуляторы в будущем?
При производстве Li-ion аккумуляторов используют разные материалы анода и катода. Исследователи экспериментируют с химическим составом, учитывают важные детали, выбирают оптимальные формулы и постепенно улучшают эксплуатационные характеристики элементов питания. Прежде всего, работа ученых направлена на повышение гравиметрической (Вт·ч/кг) и объемной (Вт·ч/л) плотности энергии, допустимых токов нагрузки и безопасности использования ХИТ.
Благодаря новым открытиям, инновационным разработкам и стремительному развитию технологий, литий-ионные АКБ становятся все более совершенными. Но наряду с улучшением технических параметров ХИТ растут и выдвигаемые к ним требования. С другой стороны, от развития аккумуляторных технологий зависит прогресс во многих областях, например, в авиации.
Как работает Li-ion аккумулятор?
При заряде и разряде литий-ионных элементов происходит интеркаляция – обратимое внедрение ионов Li в структуру электродов. Для изготовления катода и анода используют материалы, способные временно встраивать ионы Li в прослойки своей структуры. Слой катода наносят на медную фольгу, слой анода – на алюминиевую. Между ними размещают пористый сепаратор, обычно – пропитанный этилен-карбонатным электролитом.
При заряде ХИТ ионы лития покидают материал катода, через электролит идут к аноду и встраиваются в его структуру. Если же АКБ подключена к нагрузке, ионы лития покидают анод, следуют через электролит к катоду и интегрируются в его структуру, принимая протекающие электроны. Электролит в реакции не участвует, а только переносит ионы Li.
Используемые материалы
Анод чаще всего делают из природного или синтетического графита с теоретической емкостью 372 мА·ч/г. Исключение составляют литий-титанатные аккумуляторы, у которых анод имеет формулу Li4Ti5O12. Это материал с очень стабильной химической структурой. Он рассчитан на высокие нагрузки, но его теоретическая емкость ниже (175 мА·ч/г). Поэтому LTO аккумуляторы имеют рекордный ресурс, обеспечивают отличную токоотдачу, но уступают аналогам по гравиметрической и объемной плотности энергии.
Металлический литий при изготовлении отрицательных электродов не используется, т.к. при циклической эксплуатации в режиме заряд-разряд он склонен к образованию металлических отростков – дендритов, рост которых может спровоцировать внутреннее короткое замыкание элементов. Характеристики Li-ion аккумуляторов в основном зависят от материала катода, который обычно представляет собой оксид металла и лития.
Типы катодных материалов
Современные Li-ion аккумуляторы изготавливают с применением разных катодных материалов, например:
- LiMn2O4 – используется при производстве высокотоковых ячеек.
- LiCoO2, LiNiCoAlO2 – обеспечивают элементам питания большую удельную емкость.
- LiNiMnCoO2 – позволяет получить сбалансированное сочетание емкостных и токовых характеристик.
- LiFePO4 – обеспечивает аккумуляторам стабильную химическую структуру, увеличенный циклический ресурс (более 2000 циклов), устойчивость к низким и высоким температурам, токовым нагрузкам и жестким условиям эксплуатации. Но напряжение у таких элементов ниже – номинал 3,2–3,3 В вместо 3,6–3,7 В, диапазон от разряженного до заряженного состояния – 2,5–3,65 В вместо промежутка 3–4,2 В.
Сравнительная таблица
Рассмотрим особенности разных катодных составов, используемых при коммерческом изготовлении Li-ion аккумуляторов:
|
Формула |
Основные характеристики |
Особенности |
|
LiCoO2, маркировка LCO |
Емкость в теории 274 мА·ч/г, достигнутая в действительности – около 155 мА·ч/г. Напряжение относительно лития 3,88 В. Плотность энергии ≈600 Вт·ч/кг. |
Используется дольше других материалов – с 1991 года (Sony). Содержит кобальт – относительно дорогой металл с ограниченными запасами. Имеет слоистую структуру с низкой термоустойчивостью. При нагреве выше 180 °С разлагается с выделением кислорода и риском возгорания. Для улучшения стабильности и емкости LCO батарей ученые используют легирование и технологии обработки поверхности. |
|
LiMn2O4 (шпинель, маркировка LMO) |
Теоретическая емкость 148 мА·ч/г, по факту ≈120 мА·ч/г. Напряжение относительно лития 4,05 В. Плотность энергии ≈490 Вт·ч/кг. |
Высокая структурная и температурная стабильность. Повышенная безопасность. Доступность марганца. Строгие требования к температуре эксплуатации. При нагреве выше 50 °С – реакция с электролитом и постепенное растворение в нем марганца, приводящее к уменьшению емкости. |
|
LiNi0,8Co0,15Al0,05O2, LiNi0,86Co0,1Al0,04O2, LiNi0,88Co0,1Al0,02O2, маркировка NCA |
Напряжение относительно лития 3,7 В. Достижимая емкость ≈180 мА·ч/г, зависит от содержания отдельных элементов (Ni, Co, Al). При большем включении никеля составляет свыше 200 мА·ч/г. Гравиметрическая плотность энергии 670–740 Вт·ч/кг, в зависимости от содержания Ni. |
Именно такие аккумуляторы с самого начала использовала в своих электромобилях компания Tesla. Структурная стабильность у этого материала ниже, чем у шпинели, но выше, чем у моделей вида LCO. |
|
LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2, LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 (маркировка NMC) |
Емкость 150–200 мА·ч/г, плотность энергии свыше 740 Вт·ч/кг. |
Популярный состав. Стабильная структура. |
|
Напряжение относительно лития 3,4 В, теоретическая емкость 170 мА·ч/г, реальная – 150 мА·ч/г. Плотность энергии ≈510 Вт·ч/кг. |
Стабильная структура. Широкие возможности использования. Долговечность. Эффективное использование на морозе. |
Из чего будут изготавливать Li-ion аккумуляторы в будущем?
В качестве альтернативы графиту ученые рассматривают кремний – доступный и экологичный элемент с отличными электрохимическими свойствами. Но при циклировании его объем меняется на 270%, поэтому вместо применения чистого кремния исследователи ищут уместные варианты его использования. Например, покрывают его графитом, используют композиты и полимерные матрицы, которые окружают частицы кремния.
Среди катодных составов перспективными считаются следующие сочетания:
- LiNi0,5Mn1,5O4;
- LiNi0,9Mn0,045Co0,045Al0,01O2 (NMCA);
- LiFe0,5Mn0,5PO4;
- обогащенный литием, многоструктурный NMC – xLi2MnO3· (1-x)LiMO2, где М обозначает Ni, Mn, Co или другой металл.
Ранее в блоге VirtusTec.ru мы в деталях рассказали о типах электролитов и их влиянии на производительность литий-ионных аккумуляторов.
